切頂卸壓自成巷巷內(nèi)支護及其穩(wěn)定性控制

計慶輝，王昊昊

（1.皖北煤電集團公司 恒源煤礦，安徽 淮北 235100；2.中國礦業(yè)大學（北京）力學與建筑工程學院，北京 100083）

關(guān)于巷旁充填沿空留巷技術(shù)，從充填體強度與基本頂巖層斷裂關(guān)系的角度出發(fā)，采礦學者很早便提出了巷旁充填體支護強度的設(shè)計準則：即支護體對頂板的支護力應(yīng)能夠切落足夠高度的頂板巖層并適應(yīng)基本頂二次斷裂后的偏轉(zhuǎn)下沉[1]。在這種思想的指導下，研究者們在沿空留巷充填體材料強度[2-3]和巷旁充填體寬度[4-5]上進行了大量的研究，發(fā)展出了矸石砌墻、混凝土墻和高水材料充填等沿空留巷方式[6]，并在充填體沿空留巷工程應(yīng)用等領(lǐng)域積累了大量的經(jīng)驗[7-8]。然而，采用在巷道靠近采空區(qū)一側(cè)構(gòu)筑充填體的方式進行沿空留巷，屬于被動承載，即利用充填體的支護阻力來切斷巷道和采空區(qū)頂板，這種留巷方法在巷道埋深不大、頂板條件較好時可以達到不錯的留巷效果，但隨著開采深度的增加或頂?shù)装鍡l件變差，留巷后往往出現(xiàn)充填體嚴重變形甚至壓垮失效，巷道嚴重底鼓等大變形現(xiàn)象[9-10]。鑒于此種情況，考慮采用人工干預的手段主動切斷巷道頂板，提前改變頂板結(jié)構(gòu)的留巷方法逐漸受到重視，比較常用是水力切割、深孔爆破等切頂手段[11-13]。但是由于巷旁墻體的充填施工與工作面開采屬于平行作業(yè)，不可避免的對生產(chǎn)造成影響，同時由于水力切割、深孔爆破等存在著施工工序復雜、工程量大等問題，巷旁充填沿空留巷的應(yīng)用范圍主要為薄煤層或淺埋深工作面。鑒于傳統(tǒng)沿空留巷存在的種種問題，何滿潮院士提出了切頂卸壓自成巷方法，通過雙向聚能張拉爆破提前切斷巷道頂板，變巷旁充填體支撐巷道上覆巖層為利用采空區(qū)碎脹矸石支撐上覆巖層，同時采用恒阻大變形錨索對頂板補強加固，實現(xiàn)了切落頂板和適應(yīng)基本頂偏轉(zhuǎn)下沉的目標[14-15]。

目前，切頂卸壓自成巷技術(shù)已經(jīng)在薄煤層、中厚煤層及厚煤層中成功應(yīng)用[16-18]，但應(yīng)用在礦井大埋深的不多。為此以大埋深復合頂板為研究背景，研究切頂卸壓的適用性，并對復合破碎頂板條件下的巷內(nèi)支護強度和穩(wěn)定性控制對策等進行深入分析，通過建立懸臂梁＋鉸接巖梁的結(jié)構(gòu)模型，進行大埋深復合頂板巷內(nèi)支護設(shè)計，最終實現(xiàn)成功留巷。

1 復合頂板切頂卸壓覆巖結(jié)構(gòu)

1.1 工程概況

恒源煤礦位于淮北礦區(qū)西部，主采煤層為6#煤，平均煤厚 2.8 m，平均傾角 9.1°。選定 2632 工作面為切頂卸壓留巷試驗面，2632工作面位于Ⅱ63采區(qū)上部，為263采區(qū)的首采工作面，埋深為600～836.5 m，工作面傾斜長度為185 m，走向長度為1 725 m。2632工作面上煤巷為回風巷，下煤巷為機軌合一巷，下煤巷前1 200多m不進行留巷，頂板自然垮落，最后500 m進行切頂留巷。

1.2 圍巖特征及結(jié)構(gòu)

2632機巷沿6#煤頂板掘進，直接頂為泥巖或砂巖，平均厚度3.1 m，其間常常發(fā)育煤線，基本頂為細砂巖，平均厚度3.6 m。為進一步摸清巷道頂板巖性分布情況，在切頂留巷前通過在試驗段巷道內(nèi)施工頂板探查孔，對頂板巖性進行素描，2632機巷留巷段頂板素面圖如圖1。

由圖1可知，試驗段巷道頂板中普遍發(fā)育2～3條煤線，局部煤線距6#煤層頂板較近，可能形成偽頂，表現(xiàn)為巷道部分區(qū)域頂板破碎、下沉變形；試驗巷道前半段的直接頂以泥巖和煤線的復合頂板為主，后半段是泥巖、煤線和砂巖復合的頂板，切頂時要根據(jù)具體的巖性設(shè)計對應(yīng)的裝藥結(jié)構(gòu)。

1.3 切頂卸壓頂板結(jié)構(gòu)模型

圖1 2632機巷留巷段頂板素面圖

預裂爆破的作用在于提前切斷直接頂或者部分的基本頂，形成的切縫線即為巖層中的人為弱面，工作面開采后直接頂或軟弱的下位基本頂沿切縫線垮落，巷道頂板受到的垮落沖擊影響較小，直接頂垮落后基本頂巖層在自重及上覆巖層壓力的作用下逐漸偏轉(zhuǎn)下沉，當基本頂巖層受到的拉應(yīng)力大于巖層抗拉強度時即產(chǎn)生破斷，破斷后的基本頂巖塊相互擠壓，形成巖塊間的鉸接結(jié)構(gòu)，懸臂梁＋鉸接巖梁頂板結(jié)構(gòu)模型如圖2。

圖2 懸臂梁+鉸接巖梁頂板結(jié)構(gòu)模型

直接頂（切頂后垮落的下位基本頂也認為是直接頂?shù)囊徊糠郑┍磺袛嗪蟛粫|矸，形成了力學上的懸臂結(jié)構(gòu)，懸臂長度即為巷道寬度。

切頂后基本頂巖層的破斷規(guī)律仍符合鉸接巖梁的相關(guān)理論，巖塊破斷后相互鉸接，巖塊間仍能傳遞水平擠壓力，同時直接頂巖層形成懸臂結(jié)構(gòu)，這樣切頂卸壓后就形成了“懸臂梁＋鉸接巖梁”的頂板巖層結(jié)構(gòu)模型。

2 自成巷巷內(nèi)支護強度的計算

2.1 小煤柱護巷巷內(nèi)支護強度

直接頂垮落后，基本頂巖梁斷裂前，基本頂載荷主要由巷道和護巷煤柱上方的直接頂承擔，并傳遞到巷道及其周圍巖體。為保證巷道圍巖穩(wěn)定，巷內(nèi)支護和護巷煤柱必須能夠抵抗基本頂變形及載荷，為此，建立了留煤柱護巷下的巷道圍巖結(jié)構(gòu)力學模型（圖3），分析基本頂巖梁的受力特征及其穩(wěn)定性。

圖3 留煤柱護巷時圍巖結(jié)構(gòu)力學模型

圖3中，Mo為基本頂巖梁在O點處所受彎矩，N·m；Fo為基本頂巖梁在 O 點處所受剪力，N；q1為基本頂巖梁自身及上覆巖層載荷集度，N/m；q2為直接頂對基本頂巖梁偏轉(zhuǎn)下沉擠壓的作用反力集度，N/m；σm為巷內(nèi)支護強度，N/m；σn為煤柱支撐強度，N/m；a為煤巷寬度，m；b為護巷煤柱寬度，m；c為直接頂垮落后相對于煤柱的最大懸臂長度，m；d為基本頂側(cè)向斷裂后的跨度，m；α為基本頂巖梁的偏轉(zhuǎn)下沉角度，（°）；△H為基本頂巖梁在直接頂懸臂處的偏轉(zhuǎn)下沉量，mm。

基本頂巖梁偏轉(zhuǎn)下沉擠壓直接頂變形，直接頂最大壓縮變形量為△H，考慮到此時基本頂巖梁尚未斷裂，偏轉(zhuǎn)下沉量不大，可以近似認為直接頂?shù)膲嚎s變形為彈性變形，則直接頂對基本頂?shù)姆醋饔昧2可以表示為：

式中：E為直接頂巖梁的彈性模量。

將q2代入到基本頂受力平衡關(guān)系中，可得留煤柱護巷下巷內(nèi)支護強度的計算公式：

2.2 切頂卸壓下巷內(nèi)支護強度

采用預裂爆破技術(shù)，開采前提前切斷巷道和工作面之間的頂板，待工作面開采后，采空區(qū)頂板沿切縫面垮落，借助巖石碎脹效應(yīng)，垮落矸石充填滿采空區(qū)，進而限制采空區(qū)基本頂?shù)钠D(zhuǎn)下沉變形。

覆巖運動過程中，基本頂巖梁載荷逐漸向巷道一側(cè)實體煤深處和采空區(qū)矸石轉(zhuǎn)移，這樣留巷巷道便處于低應(yīng)力區(qū)，有利于巷道的穩(wěn)定，為分析切頂卸壓自成巷巷內(nèi)支護強度對留巷穩(wěn)定性的影響，建立了返修方案數(shù)值模擬位移模型（圖4）。

圖4 返修方案數(shù)值模擬位移模型

圖4中，q3為采空區(qū)矸石對基本頂巖梁偏轉(zhuǎn)下沉擠壓的作用反力集度，N/m；e為切縫線在水平方向的長度，m；f為基本頂懸露長度，m；g為基本頂巖梁偏轉(zhuǎn)觸矸長度，m；△H為基本頂巖梁在直接頂切縫位置的偏轉(zhuǎn)下沉量，mm。

認為基本頂偏轉(zhuǎn)下沉對直接頂?shù)膲嚎s變形為彈性變形，則直接頂對基本頂?shù)姆醋饔昧2可表示為：

切頂卸壓自成巷時巷內(nèi)支護強度的計算公式：

式中：ξ為強度系數(shù)；k為碎脹系數(shù)。

然后，令：

式中：ξ1定義為留煤柱護巷下的巷內(nèi)支護強度系數(shù)；ξ2為切頂卸壓自成巷的巷內(nèi)強度系數(shù)。

化簡后比較可得：ξ1＜ξ2，所以，切頂卸壓后的巷內(nèi)支護強度要小于小煤柱護巷。

3 留巷穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析

3.1 切頂高度對留巷穩(wěn)定性的影響

為了研究切頂高度對留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響，利用有限差分軟件FLAC3D建立了恒源煤礦切頂卸壓計算模型，選擇了3組不同的切頂高度：5、7、9 m，通過切頂高度的變化模擬圍巖應(yīng)力、位移分布特征，進而得到切頂高度對留巷穩(wěn)定性的影響規(guī)律，模擬結(jié)果如圖5～圖8。

圖5 切縫高度對留巷圍巖應(yīng)力顯現(xiàn)規(guī)律的影響

圖6 切縫高度對留巷圍巖位移顯現(xiàn)規(guī)律的影響

切頂高度越大，巷道頂板卸壓區(qū)范圍越大，說明切頂卸壓對巷道頂板應(yīng)力的影響范圍與切頂高度成正相關(guān)。

切頂高度為5、7、9 m時，巷道頂板垂直位移最大值分別為460、320、240 mm，表明切頂高度越大，巷道頂板垂直位移越小，證明切頂卸壓能夠有效控制頂板圍巖變形，保證巷道穩(wěn)定。

圖7 切縫角度對留巷圍巖應(yīng)力顯現(xiàn)規(guī)律的影響

圖8 切縫角度對留巷圍巖位移顯現(xiàn)規(guī)律的影響

3.2 切頂角度對留巷穩(wěn)定性的影響

同樣的，建立FLAC3D數(shù)值計算模型，選擇3組不同的切頂角度進行模擬：0°、15°和 25°，通過模擬切頂角度的變化進而得到切頂角度對圍巖應(yīng)力、位移分布特征及留巷穩(wěn)定性的影響。

切縫角度為0°時，采空區(qū)頂板垮落不徹底，采空區(qū)范圍內(nèi)垂直應(yīng)力仍然較高；切頂角度為15°、25°時，采空區(qū)頂板垂直位移較大，采空區(qū)存在較大范圍的低應(yīng)力區(qū)，表明一定的切縫角度有利于采空區(qū)頂板垮落，從而達到利用垮落巖體充填采空區(qū)、支承上部巖層的目的。

切頂角度為 0°、15°、25°時，巷道頂板垂直位移最大值分別為230、330、470 mm，表明切縫角度越大，巷道頂板垂直位移越大，這是由于增大切頂角度同時也增大了巷道頂板懸臂梁的長度，容易使頂板變形量增大。

綜上所述，切縫前應(yīng)做好恒阻錨索頂板加固工作，并合理確定切縫角度和切縫高度，保證切斷足夠高度的頂板并減小頂板懸露長度，最終選取的切縫高度為7 m，切縫角度為15°。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程地質(zhì)條件

2632工作面為Ⅱ63采區(qū)首采工作面，Ⅱ632機巷為工作面的進風巷，Ⅱ632風巷為工作面的回風巷，選取機巷的最后500 m巷道進行切頂卸壓自成巷試驗，Ⅱ632工作面巷道布置圖如圖9。

圖9 Ⅱ632工作面巷道布置圖

Ⅱ632機巷設(shè)計斷面為異矩形，巷道凈斷面巷高2.8 m，巷寬5.2 m，巷道頂板采用錨網(wǎng)索支護，巷道補強支護設(shè)計斷面圖如圖10。煤層平均傾角約9.1°。留巷段工作面埋深為 627～815 m。

4.2 留巷設(shè)計方案

為確保留巷期間巷道穩(wěn)定，留巷前，采用3列φ21.8 mm×9 500 mm恒阻大變形錨索對巷道頂板進行補強加固，錨索恒阻值為（330±20）kN，允許變形量為350 mm。其中，補強恒阻錨索沿頂板鉛垂方向布置，與原錨索間隔布置，恒阻錨索布置情況如圖10，施工時要求恒阻錨索預緊力不小于280 kN。

巷道頂板補強加固后，采用聚能爆破的方式預裂頂板，預裂切縫孔深度為7 000 mm，間距500 mm，在巷道回采幫肩窩處施工。為保證頂板預裂切縫效果，考慮到2632機巷留巷段頂板巖性的不連續(xù)發(fā)育特征，在實際爆破施工過程中，當頂板巖性發(fā)生較大變化是，需要根據(jù)頂板實際巖性再次進行爆破參數(shù)試驗，及時對爆破參數(shù)進行調(diào)整，預裂爆破鉆孔的設(shè)計裝藥結(jié)構(gòu)圖如圖11。

圖10 巷道補強支護設(shè)計斷面圖

圖11 預裂爆破鉆孔的設(shè)計裝藥結(jié)構(gòu)圖

4.3 應(yīng)用效果

采用預裂切縫爆破技術(shù)切斷了巷道頂板，施工恒阻大變形錨索提前對巷道頂板進行補強加固，工作面開采后，采空區(qū)頂板垮落自動形成了巷道新的一幫，現(xiàn)場試驗后留巷效果總體良好，切頂留巷試驗的成功緩解了恒源煤礦接續(xù)緊張的壓力，取消區(qū)段煤柱的同時少掘一條巷道，帶來了可觀的經(jīng)濟效益，該項新技術(shù)的成果應(yīng)用，為淮北乃至安徽地區(qū)類似條件礦井開展自成巷實踐提供了借鑒。

5 結(jié)論

1）基于恒源煤礦大埋深、復合破碎頂板的條件，建立了切頂卸壓下的“懸臂梁＋鉸接巖梁”頂板結(jié)構(gòu)模型。

2）通過計算2種留巷模式下的巷內(nèi)支護強度，發(fā)現(xiàn)切頂卸壓自成巷的巷內(nèi)支護強度要明顯小于留煤柱護巷，切頂對圍巖的卸壓作用明顯。

3）經(jīng)過數(shù)值模擬計算發(fā)現(xiàn)，切縫高度為7 m，切縫角度為15°時圍巖的卸壓作用最好，留巷后巷道變形量小

4）現(xiàn)場工程應(yīng)用表明，切頂卸壓自成巷能夠適應(yīng)大埋深、復合破碎的條件，可為類似條件下的自成巷應(yīng)用提供借鑒。